一种振镜辅助分层修边的激光微孔加工设备及方法与流程

本发明属于激光精密加工，具体涉及一种振镜辅助分层修边的激光微孔加工设备及方法。

背景技术：

1、激光微孔加工因具有非接触、加工精度高、适用材料范围广等特点，广泛应用于金属、陶瓷、玻璃、半导体及高分子材料的微孔加工。随着医疗器械、喷油嘴、过滤器、电子封装及微流控器件等产品对微孔加工质量要求的提高，不仅要求具有较高的加工效率，还对微孔的孔径一致性、孔壁粗糙度、孔壁锥度及孔口轮廓质量提出了较高要求。

2、现有激光微孔加工过程中，为提高材料去除效率，通常采用较高能量或者较大进给量进行快速加工，以尽快去除孔内主体材料。然而，此类加工方式容易在孔口及孔壁产生轮廓波动、毛刺、重铸层或局部崩边等缺陷，并可能造成孔壁条纹以及孔径、锥度沿孔深方向不一致。若为了改善微孔质量而从加工开始即采用较低能量和较小去除量进行精细扫描，则需要进行大量重复扫描，加工时间明显增加，难以兼顾加工效率与加工质量。

3、此外，对于具有一定深径比的微孔，激光焦点具有有限的有效作用深度，仅在工件表面或某一固定深度位置进行轮廓扫描时，难以保证孔壁不同深度位置均处于适宜的聚焦及能量密度范围内。特别是在粗加工形成的孔壁本身存在一定孔径偏差或锥度误差的情况下，采用统一的扫描轨迹对整个孔壁进行修整，也难以针对不同深度位置的实际加工余量实施有效补偿。

4、因此，如何在保证微孔主体材料去除效率的同时，对粗加工后的孔壁不同深度位置进行有针对性的精细修整，以提高微孔孔径一致性、孔壁轮廓质量和加工效率，是现有激光微孔加工技术中需要进一步解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种一种振镜辅助分层修边的激光微孔加工方法，以解决现有激光微孔加工过程中难以兼顾主体材料去除效率与孔壁加工质量，以及对于具有一定深径比的微孔，不同深度位置难以保持适宜聚焦状态并进行针对性孔壁修整的问题。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一方面，一种振镜辅助分层修边的激光微孔加工方法，包括以下步骤：

4、s1、确定待加工目标微孔的目标孔壁轮廓及孔深；

5、s2、控制激光束与工件产生粗切相对运动，去除目标微孔内部的主体材料，形成粗孔，使粗孔的孔壁相对于目标孔壁向孔内侧保留孔壁余量；

6、s3、在粗孔加工完成后，将粗孔的孔壁沿孔深方向划分为多个修边层，并根据各修边层对应深度处的目标孔壁轮廓分别确定对应的孔边缘补偿轮廓；

7、s4、按照多个修边层的加工顺序调节激光焦点的深度位置，使激光焦点依次定位至相应的修边层，并通过振镜扫描组件驱动激光光斑沿相应修边层对应的孔边缘补偿轮廓进行扫描，以逐层去除相应修边层处的孔壁余量，形成目标微孔的孔壁。

8、可选地，孔边缘补偿轮廓根据对应修边层处的目标孔径、目标孔壁锥度、孔壁余量、粗孔实测轮廓、激光有效光斑尺寸和切缝补偿量中的一种或多种确定。

9、可选地，至少两个修边层对应的孔边缘补偿轮廓具有不同的轮廓尺寸，以补偿粗孔沿孔深方向的孔径变化和/或形成具有预定孔壁锥度的目标微孔。

10、可选地，相邻修边层对应的激光有效加工深度范围部分重叠，修边层之间的层间距根据激光焦点的瑞利长度、材料去除深度和目标孔壁锥度中的一种或多种确定。

11、可选地，在粗孔加工完成后，获取粗孔的孔口轮廓、孔壁特征和孔出口特征中的至少一项；

12、当获取孔口轮廓时，根据孔口轮廓确定粗孔相对于振镜扫描中心的位置偏差，并据此修正振镜扫描组件的扫描中心；

13、当获取孔壁特征和孔出口特征中的至少一项时，根据获取结果确定粗孔的孔径和锥度中的至少一项，并据此修正相应修边层的孔边缘补偿轮廓。

14、可选地，修边加工采用的单脉冲能量低于粗切加工采用的单脉冲能量，且修边加工的轮廓扫描速度高于粗切加工的轮廓扫描速度。

15、另一方面，一种振镜辅助分层修边的激光微孔加工设备，包括激光源、振镜扫描组件、激光切割头、z向调焦组件、粗切运动组件和控制器；

16、振镜扫描组件设置于激光切割头的入光侧，振镜扫描组件的出射光路与激光切割头的聚焦光路相连通，以使经振镜扫描组件偏转的激光束经激光切割头聚焦后入射至工件；

17、z向调焦组件用于改变激光焦点相对于工件的深度位置；

18、粗切运动组件用于使激光束与工件产生粗切相对运动，以去除目标微孔内部的主体材料并形成相对于目标孔壁保留孔壁余量的粗孔；

19、控制器分别与激光源、振镜扫描组件、z向调焦组件和粗切运动组件连接，并被配置为：在粗孔加工完成后，将粗孔的孔壁沿孔深方向划分为多个修边层，并根据各修边层对应深度处的目标孔壁轮廓确定对应的孔边缘补偿轮廓；控制z向调焦组件使激光焦点依次定位至各修边层，并控制振镜扫描组件驱动激光光斑沿相应的孔边缘补偿轮廓扫描，以逐层去除相应修边层处的孔壁余量。

20、可选地，振镜扫描组件与激光切割头固定连接，或者振镜扫描组件与激光切割头安装于共同的刚性安装架上。

21、可选地，振镜扫描组件与激光切割头的聚焦组件之间设置有光束中继组件，光束中继组件使振镜扫描组件的等效扫描转点与聚焦组件的入瞳面形成共轭关系；

22、z向调焦组件包括以下至少一种：用于驱动激光切割头和工件中的至少一者沿z向移动的直线模组；设置于激光光路中的动态聚焦镜组。

23、可选地，还包括检测组件，检测组件包括成像检测单元，成像检测单元用于获取粗孔的孔口轮廓和/或孔壁特征，控制器与检测组件连接，并根据检测组件的检测结果修正振镜扫描组件的扫描中心和/或相应修边层的孔边缘补偿轮廓。

24、综上，本发明的有益效果是：

25、（1）本发明先通过粗切加工去除目标微孔内部的主体材料，并使形成的粗孔孔壁相对于目标孔壁保留孔壁余量，在粗孔加工完成后，再将粗孔孔壁沿孔深方向划分为多个修边层，通过调节激光焦点的深度位置，使激光焦点依次对应不同修边层，并利用振镜扫描组件沿各修边层对应的孔边缘补偿轮廓进行扫描。由此，使粗切加工主要承担大体积材料的快速去除，而振镜扫描主要承担小余量孔壁精修，减少采用精细扫描方式去除全部孔内材料所需的加工时间，在兼顾加工效率的同时提高孔壁加工质量。

26、（2）本发明由于激光焦点能够随修边层沿孔深方向依次调整，使粗孔孔口、孔壁中部及孔出口等不同深度位置能够分别处于适宜的激光作用区域，降低因固定焦点导致孔壁不同深度位置加工状态不一致的问题，有利于改善深微孔的孔径一致性、孔壁粗糙度及孔壁锥度。

27、（3）本发明各修边层可以根据对应深度处的目标孔壁轮廓以及孔壁余量分别确定孔边缘补偿轮廓，使不同深度位置采用相应的扫描轨迹，从而能够针对粗孔沿孔深方向存在的孔径变化或锥度偏差实施分层补偿，提高最终形成的微孔孔壁与目标孔壁轮廓的一致性。

28、（4）本发明在获取粗孔孔口轮廓、孔壁特征或孔出口特征的情况下，还可以根据实际检测结果修正振镜扫描中心和相应修边层的孔边缘补偿轮廓，从而减小粗切加工位置偏差和孔壁加工误差对后续修边精度的影响，提高微孔加工过程的适应性和稳定性。